《科學》雜志1月10日在線刊登浙江大學團隊的科研成果。研究團隊經過3年多的集中攻關，通過多相催化劑體系，在70℃的溫和條件中將甲烷高效率轉化為甲醇，轉化率為17.3%，甲醇選擇性達到92%，為當前的最高水平。
甲烷是天然氣、頁巖氣等的主要成分，儲備量相對豐富、價格低廉。甲醇是生成基礎化學品的重要平臺分子，具有高附加值和高應用價值。在此之前，甲醇過于活潑的“性格”卻讓其選擇性活化和定向轉化成為世界性難題。幾十年來，科學家們想著各種方法要把甲烷變甲醇反應的效率提升上去，但始終沒有大的突破。如今該難題終于被成功破解。
誰也不曾想到，這項研究居然是從羊圈中找到的靈感。
浙江大學教授肖豐收和研究員王亮團隊，從如何讓鎖住頑皮的雙氧水角度出發開展研究。他們想到農村中的羊圈，通過圍欄讓羊群無法跑走。“何不試試在反應中也加一個圍欄，圈住雙氧水。”肖豐收說就是這么靈光一現的想法，他們就便著手實驗，很快就成功了。
“我們用長鏈烷烴來做‘分子圍欄’，這樣親水的過氧化氫被圍在了催化劑里，無法擴散出去。”王亮介紹，而氫氣、氧氣和甲烷卻依然能夠進入反應區，同時甲醇生成后能很快跑出來，不會和甲烷競爭反應。
就是這么一層“分子圍欄”，在實驗中將雙氧水的富集濃度達到一萬倍，讓甲烷氧化反應加快進行。
《科學》雜志的評審表示，這項工作針對非常具有挑戰性的催化反應，巧妙地設計了與反應步驟相匹配的“分子圍欄”的催化劑。
這個結構妙在哪？在分子篩晶體幾百納米的反應區，科研團隊還在“螺螄殼里做道場”。用肖豐收的話說，整個結構就像是一個雞蛋：“金屬催化劑是蛋黃，沸石分子篩是蛋清，分子圍欄是蛋殼。”
在催化劑的設計上，肖豐收、王亮團隊可謂用足了心思。他們用沸石分子篩緊緊地裹住金屬納米顆粒催化中心，就像蛋清裹住蛋黃一樣，也就把金屬催化中心穩固了在當中，不會再跑來跑去聚集在一起了。
在過去十多年的工作里，肖豐收一直致力于如何通過特殊工藝，科研人員將催化活性納米顆粒嵌入沸石分子篩，就能讓催化劑更加穩定，從而可以將效率發揮到最大。除了高效外，這個催化劑在制備中更綠色，“因為我們是通過無溶劑的方式來合成，不會產生污染，而傳統的水熱方式合成，有些分子篩每合成一噸甚至會產生一百噸廢水。”
當前隨著頁巖氣、海底可燃冰的進一步開發，甲烷在整個能源體系尤其是碳資源中將會扮演越來越重要的角色。對于未來的應用，肖豐收說，從基礎原理到規模化應用還有很長的路要走，“隨著甲烷變甲醇中附加值的提升，未來將有很多可能。”
據悉，該研究受到國家自然科學基金重點項目、優青項目、科技部重點研發計劃項目、殼牌石油公司國際合作項目等資助。